Neuroteknik

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 12 oktober 2013; kontroller kräver 11 redigeringar .

Neuroengineering är en vetenskaplig inriktning inom biomedicinsk teknik som använder olika tekniska metoder för att studera, återställa eller förbättra nervsystemet . Neuroteknik löser olika unika problem relaterade till problemen med att kombinera levande neurala strukturer och icke-levande strukturer. ( Hetling, 2008 )

Översikt

Neuroteknik hämtar från områdena beräkningsneurovetenskap , experimentell neurovetenskap , klinisk neurovetenskap, elektroteknik och omfattar delar av robotik , cybernetik , datateknik, materialvetenskap och nanoteknik .

Listan över huvudmål inom detta område inkluderar återställande och expansion av mänskliga funktioner genom direkt interaktion mellan nervsystemet och konstgjorda enheter.

Mycket aktuell forskning är fokuserad på att förstå kodningen och bearbetningen av information i sensoriska och motoriska system, kvantifiera hur denna bearbetning förändras i ett patologiskt tillstånd, och hur det kan manipuleras med konstgjorda enheter, inklusive hjärn-dator-gränssnitt och neuroproteser .

Annan forskning fokuserar mer på experiment, inklusive användning av neurala implantat kopplade till externa enheter.

Historik

Eftersom neuroteknik är ett relativt nytt område är information och forskning relaterad till det ganska begränsad. De första tidskrifterna specifikt dedikerade till neuroengineering - The Journal of Neural Engineering och The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation publicerades 2004. International Neuroengineering Conferences har varit värd för IEEE sedan 2003, från 29 april till 2 maj 2009 i Antalya, Turkiet 4th Neuroengineering Conference, 5th IEEE EMBS International Neuroengineering Conference i april/maj 2011 i Cancun, Mexiko, och 6:e konferensen i San Diego Kalifornien i november 2013. Den sjunde konferensen ägde rum i april 2015 i Montpellier. Den åttonde konferensen hölls i maj 2017 i Shanghai.

Grunderna

De grundläggande grunderna för neuroteknik involverar sammankopplingen av neuroner, neurala nätverk och nervsystemfunktioner med kvantifierbara modeller för att hjälpa till att utveckla enheter som kan tolka och kontrollera signaler och producera riktade svar.

Neurovetenskap

De budskap som kroppen använder för tankar, känslor och rörelser överförs med nervimpulser genom hjärnvävnaden och till resten av kroppen. Neuroner är den grundläggande funktionella enheten i nervsystemet och är mycket specialiserade celler som kan överföra dessa signaler. Neuroner har speciella elektrokemiska egenskaper som gör att de kan bearbeta information och sedan överföra den informationen till andra celler. Neuronal aktivitet beror på potentialen hos nervmembranet och de förändringar som sker längs och tvärs över det. En konstant spänning, känd som en membranpotential , upprätthålls vanligtvis av specifika koncentrationer av specifika joner över neuronala membran. Störningar eller förändringar i denna spänning skapar en obalans eller polarisering över membranet. Depolarisering av membranet efter en tröskelpotentialövergång genererar en aktionspotential, som är huvudkällan till signalöverföring som kallas neurotransmission . Aktionspotentialen resulterar i en kaskad av jonflöde ner genom det axonala membranet, vilket skapar en effektiv kedja av spänningsspikar, en "elektrisk signal" som kan överföra ytterligare elektriska förändringar till andra celler. Signaler kan genereras av elektriska, kemiska, magnetiska, optiska och andra former av stimuli som påverkar flödet av laddningar och spänningsnivåer på nervmembran.

Engineering

Ingenjörer skapar kvantitativa verktyg som används för att interagera med komplexa neurala system. Metoder för att studera och generera kemiska, elektriska, magnetiska och optiska signaler som ansvarar för extracellulära fältpotentialer och synaptisk överföring i nervvävnad hjälper forskare att modulera nervsystemets aktivitet. För att förstå egenskaperna hos neurala systemaktivitet använder ingenjörer signalbehandlingstekniker och datorsimuleringar. För att bearbeta dessa signaler måste ingenjörer översätta neurala membranspänningen till en lämplig kodprocess, känd som neural kodning. Neural kodning använder forskning om hur hjärnan kodar enkla kommandon i form av centrala mönstergeneratorer (CPG), rörelsevektorer, en intern modell av lillhjärnan och somatiska kartor för att förstå rörelse- och sensoriska fenomen. Avkodning av dessa signaler inom neurovetenskap är den process genom vilken neuroner förstår spänningen som har överförts till dem. Transformationer involverar mekanismer genom vilka signaler av en viss form tolkas och sedan översätts till en annan form. Ingenjörer försöker matematiskt modellera dessa transformationer. Det finns många sätt att spela in dessa signaler. De kan vara intracellulära eller extracellulära. Extracellulära metoder inkluderar enstaka inspelningar, extracellulära fältpotentialer och amperometri. På senare tid har multielektrodarrayer använts för att spela in och simulera signaler.

Omfattning

Neuromekanik

Neuromekanik är en kombination av neurovetenskap, biomekanik och robotik. Forskare använder banbrytande metoder och modeller för att studera de mekaniska egenskaperna hos neurala vävnader och deras inverkan på vävnadernas förmåga att motstå och generera kraft och rörelse, samt deras sårbarhet för traumatisk belastning. Detta forskningsområde syftar till att omvandla omvandlingen av information mellan neuromuskulära och skelettsystem för att utveckla funktioner och reglerande regler för funktionen och organisationen av dessa system. Neuromekanik kan modelleras genom att koppla beräkningsmodeller av neurala kretsar med modeller av djurkroppar belägna i virtuella fysiska världar. Experimentella analyser av biomekanik, inklusive rörelsens kinematik och dynamik, processen och mönstren för motorisk och sensorisk återkoppling under rörelse, och kretsen och den synaptiska organisationen av hjärnan som ansvarar för motorisk kontroll, undersöks för närvarande för att förstå komplexiteten i djurrörelser . Dr Michel Laplacs laboratorium vid Georgia Institute of Technology studerar mekanisk sträckning av cellkulturer, skjuvdeformationer av plana cellkulturer och skjuvdeformationer av tredimensionella matriser som innehåller celler. Att förstå dessa processer åtföljs av utvecklingen av funktionella modeller som kan karakterisera dessa system i en sluten slinga med speciellt definierade parametrar. Neuromekanikforskning är inriktad på att förbättra behandlingar för fysiologiska hälsoproblem, som inkluderar optimering av protesdesign, återställande av rörelse efter skada och design och kontroll av mobila robotar. Genom att studera strukturer i 3D-hydrogeler kan forskare identifiera nya modeller för nervcellers mekaniska egenskaper. Till exempel, La Placa et al. utvecklat en ny modell som visar att stammen kan spela en roll i cellodling.

Neuromodulering

Neuromodulering syftar till att behandla sjukdom eller skada med hjälp av medicinsk utrustning som kan förbättra eller undertrycka nervsystemets aktivitet genom att leverera farmaceutiska medel, elektriska signaler eller andra former av energisk stimulans för att återställa balansen till skadade områden i hjärnan. Forskare inom detta område står inför utmaningen att kombinera framsteg när det gäller att förstå neurala signaler med framsteg inom teknik som levererar och analyserar dessa signaler med ökad känslighet, biokompatibilitet och livskraft i slutna kretsar i hjärnan så att nya terapier och kliniska tillämpningar kan skapas till behandling av personer som lider av skador på nervsystemet av olika slag. Neuromodulerande enheter kan korrigera nervsystemets dysfunktion i samband med Parkinsons sjukdom, dystoni, tremor, Tourettes sjukdom, kronisk smärta, OCD, egentlig depression och så småningom epilepsi. Neuromodulering är attraktiv för att behandla en mängd olika defekter eftersom den bara fokuserar på att behandla mycket specifika områden i hjärnan, till skillnad från systemiska behandlingar som kan ha biverkningar på kroppen. Neuromodulatorstimulatorer, såsom uppsättningar av mikroelektroder, kan stimulera och registrera hjärnans funktion och bör, med ytterligare förbättringar, bli justerbara och känsliga leveransanordningar för droger och andra stimuli.

Återställande av nervvävnader

Neuroteknik används för att studera funktionerna i det perifera och centrala nervsystemet och för att hitta kliniska lösningar på problem som orsakas av skada eller felfunktion i hjärnan. Engineering tillämpad på neuroregenerering fokuserar på tekniska anordningar och material som främjar neuronal tillväxt för specifika tillämpningar såsom perifer nervskada regenerering, ryggmärgsvävnadsregenerering för ryggmärgsskada och retinal vävnadsregenerering. Genteknik och vävnadsteknik är områden inom utvecklingen av byggnadsställningar för återväxt av ryggmärgen.

Forskning och tillämpningar

Neuroimaging

Neuroimaging-tekniker används för att studera aktiviteten hos neurala nätverk, såväl som hjärnans strukturer och funktioner. Neuroimaging-teknologier inkluderar funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), magnetisk resonanstomografi (MRI), positronemissionstomografi (PET) och datortomografi (CAT). Funktionella neuroimagingstudier tittar på vilka delar av hjärnan som utför specifika uppgifter. fMRI mäter hemodynamisk aktivitet, som är nära relaterad till neuronaktivitet. Den undersöker hjärnan genom att ställa in skannern till en specifik våglängd för att se vilken del av hjärnan som aktiveras av olika uppgifter. PET, CT-skannrar och elektroencefalografi (EEG) utvecklas och används för liknande ändamål.

Neurala nätverk

Forskare kan använda experimentella observationer av neurala system och teoretiska och beräkningsmodeller av dessa system för att skapa neurala nätverk så realistiska som möjligt. Neurala nätverk kan användas för att analysera data för att hjälpa till att designa ytterligare neuroteknologiska enheter. I synnerhet är forskare engagerade i analytisk eller finita elementmodellering för att bestämma kontrollen av nervsystemets rörelser och tillämpa dessa metoder för att hjälpa patienter med hjärnskador eller störningar. Modeller kan representera jonkoncentrationsdynamik, kanalkinetik, synaptisk transmission, singelneuronberäkning, syremetabolism eller tillämpning av dynamisk systemteori.

Neurogränssnitt

Neurala gränssnitt är huvudelementet i studiet av neurala system och förbättring/ersättning av neurala funktioner. Ingenjörer står inför utmaningen att utveckla elektroder som selektivt kan fånga data från tillhörande elektroniska kretsar för att samla in information om nervsystemets aktivitet och stimulera specifika områden av nervvävnaden för att återställa funktion eller känsla i den vävnaden. Materialen som används för dessa enheter måste matcha de mekaniska egenskaperna hos den neurala vävnad där de är placerade, och skador måste bedömas. Neuronal interaktion inkluderar tillfällig regenerering av byggnadsställningar gjorda av biomaterial eller kroniska elektroder och bör reglera kroppens reaktion på främmande material. Mikroelektrodmatriser är nya framsteg som kan användas för att studera neurala nätverk. Optiska neurala gränssnitt inkluderar optiska inspelningar och optogenetisk stimulering, vilket gör hjärnceller ljuskänsliga. Fiberoptik kan implanteras i hjärnan för att stimulera och registrera denna fotonaktivitet istället för elektroder. Två-foton excitationsmikroskopi kan studera levande neurala nätverk och kommunikationshändelser mellan neuroner.

BCI

Neurodatorgränssnitt är inriktade på direkt kommunikation med det mänskliga nervsystemet för att övervaka och stimulera nervkretsar, samt för att diagnostisera och behandla inre neurologisk dysfunktion. Djup hjärnstimulering är ett betydande framsteg inom detta område, vilket är särskilt effektivt vid behandling av rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom, med högfrekvent stimulering av nervvävnad för att undertrycka tremor.

Microsystems

Neurala mikrosystem kan utformas för att tolka och leverera elektriska, kemiska, magnetiska och optiska signaler till neural vävnad. De kan upptäcka förändringar i membranpotential och mäta elektriska egenskaper (såsom överspänning, amplitud eller hastighet) med hjälp av elektroder eller genom att bedöma kemiska koncentrationer, fluorescerande ljusintensitet eller magnetfältpotential. Syftet med dessa system är att leverera signaler som kommer att påverka potentialen hos neuronal vävnad och därmed stimulera hjärnvävnad att producera det önskade svaret.

Mikroelektrodmatriser

Mikroelektrodmatriser är specialverktyg som används för att upptäcka abrupta spänningsförändringar i den extracellulära miljön som är ett resultat av utbredningen av en aktionspotential ner i axonet. Mark Allen och LaPlaca skapade mikrobiella 3D-elektroder gjorda av cytokompatibla material som SU-8 och SLA-polymerer, vilket ledde till in vitro och in vivo mikroelektrodsystem med hög prestandaflexibilitet och minimering av vävnadsdestruktion.

Neuroproteser

Neuroproteser är anordningar som kan komplettera eller ersätta de saknade funktionerna i nervsystemet genom att stimulera och registrera dess aktivitet. Elektroder som mäter nervernas funktion kan integreras med proteser och signalera dem att utföra den funktion som den överförda signalen ger. Sensoriska proteser använder konstgjorda sensorer för att ersätta neural input som kanske inte finns i biologiska källor. Ingenjörerna som undersöker dessa enheter är ansvariga för att tillhandahålla en kronisk, säker, artificiell interaktion med neural vävnad. Den kanske mest framgångsrika av dessa sensoriska proteser är cochleaimplantatet , som återställer hörselförmågan hos döva. Protesen för att återställa synförmågan hos blinda befinner sig fortfarande i ett enklare utvecklingsstadium.

Motorproteser är anordningar förknippade med elektrisk stimulering av det biologiska nervmuskelsystemet som kan ersätta hjärnans eller ryggmärgens kontrollmekanismer. Smarta proteser skulle kunna utformas för att ersätta saknade lemmar som kontrolleras av nervsignaler genom att transplantera nerver från den amputerades stubbe till musklerna. Sensoriska proteser ger sensorisk feedback genom att omvandla mekaniska stimuli från periferin till kodad information tillgänglig för nervsystemet. Elektroder placerade på huden kan tolka signalerna och sedan styra den protetiska extremiteten. Dessa proteser har varit mycket framgångsrika. Funktionell elektrisk stimulering (FES) är ett system som syftar till att återställa motoriska processer som att stå, gå och greppa händer.

Neurorobotics (Neuro robotics)

Neurorobotics är studiet av hur neurala system kan efterlikna rörelser i mekaniska maskiner. Neurobotar används ofta för att studera motorisk kontroll och rörelse, inlärning och aktivering av minnesområden, och värdesystem och handlingsval. Genom att studera neurorobotar under verkliga förhållanden är de lättare att observera och utvärdera för att beskriva heuristiken för robotens funktion i termer av inbäddade neurala system och dessa systems reaktioner på miljön (Krichmar 2008). Till exempel, med hjälp av en beräkningsmodell av dynamiken i epileptiska utbrott, har effektiviteten av metoden för att modellera anfallsreduktion med hjälp av ett pseudospektralt protokoll redan bevisats. En beräkningsmodell simulerar en hjärnanslutning med hjälp av magnetisk resonans från en patient som lider av idiopatisk generaliserad epilepsi . Metoden genererar impulser som kan minska kramper.

Regenerering av nervvävnad

Nervvävnadsregenerering eller neuroregenerering - syftar till att återställa funktionen hos de neuroner som skadades under skador. Funktionell reparation av skadade nerver innebär att en oavbruten axonal regenereringsväg återställs till platsen för innervation. Forskare som Dr. Laplaka vid Georgia Institute of Technology siktar på att hjälpa till att hitta behandlingar för återhämtning och regenerering efter traumatisk hjärnskada och ryggmärgsskada genom att tillämpa vävnadstekniska strategier. Dr. Laplaka undersöker metoder som kombinerar stamceller med en extracellulär matrisproteinbaserad ställning för minimalt invasiv leverans till oregelbundet formade lesioner som bildas efter traumatisk skada. Genom att studera neurala stamceller in vitro och utforska alternativa cellkällor, utveckla nya biopolymerer som kan användas i byggnadsställningar och in vivo undersöka cell- eller vävnadsmanipulerade transplantat i modeller av traumatisk hjärnskada och ryggmärgsskada, syftar Dr. LaPlacas labb till att fastställa optimala strategier för nervåterhämtning efter skada.

Moderna metoder för klinisk behandling

Genom kirurgisk sutur av skadade nervändar kan reparera små revor med autologa nervtransplantat. För mer allvarliga skador kan ett autologt nervtransplantat som har tagits bort från ett annat område av kroppen användas, även om processen är tidskrävande, dyr och kräver två operationer (Schmidt & Leach 2003). Klinisk hantering av CNS är minimalt tillgänglig och fokuserar främst på att minska sidoskador orsakade av fragment nära platsen för skada eller inflammation. Efter svullnad minskar det omgivande traumat, patienterna rehabiliteras så att de kvarvarande nerverna kan tränas för att kompensera för bristen på neural funktion i de skadade nerverna. Det finns för närvarande ingen behandling för att återställa nervfunktionen till skadade CNS-nerver (Schmidt & Leach 2003).

Tekniska strategier för reparationer

Tekniska strategier för återhämtning av ryggmärgsskador syftar till att skapa gynnsamma förutsättningar för nervregenerering. Hittills var endast skador på PNS-nerverna kliniskt möjliga, men framsteg inom forskning om genetiska metoder och biomaterial visar möjligheten till regenerering av SC-nerverna under acceptabla förhållanden.

Vaccinationer

Fördelen med vävnadsautotransplantat är att de härrör från naturliga material som har en hög potential för biokompatibilitet samtidigt som de ger strukturellt stöd för nerver som främjar cellvidhäftning och migration (Schmidt & Leach 2003). Neonatal vävnad, acellulära transplantat och extracellulära matrismaterial är alla alternativ som också kan tillhandahålla idealiska ställningar för nervregenerering. Vissa av dessa kommer från allogena eller xenogena vävnader, som måste kombineras med immunsuppressiva medel. medan andra inkluderar tunntarmssubmukosa och fostervattentransplantat (Schmidt & Leach 2003). Syntetiska material är attraktiva alternativ eftersom deras fysikaliska och kemiska egenskaper vanligtvis kan kontrolleras. Ett problem som kvarstår med syntetiska material är biokompatibilitet (Schmidt & Leach 2003). Metylcellulosabaserade konstruktioner har visat sig vara ett biokompatibelt alternativ för detta ändamål (Tate et al. 2001). AxoGen använder AVANCE-celltransplantationsteknik för att efterlikna en mänsklig nerv. Det har visat sig uppnå betydande återhämtning hos 87 procent av patienterna med perifer nervskada. [7]

Nervkanaler

Nervguider, nervguider är innovativa strategier som riktar in sig på större defekter som tillhandahåller en väg för axonspridning för att styra tillväxt och minska tillväxthämning från ärrvävnad. Neurala styrkanaler ska enkelt formas till önskade dimensioner, steriliserbara, rivsäkra, lätta att hantera och suturera (Schmidt & Leach 2003). Helst bör de brytas ned med tiden när nerverna regenereras, vara flexibla, semipermeabla, behålla sin form och ha en slät innervägg som efterliknar strukturen hos en riktig nerv (Schmidt & Leach 2003).

Biomolekylär terapi

Strikt kontrollerade leveranssystem behövs för att stimulera regenereringen av nervsystemet. Neurotrofa faktorer kan påverka utveckling, överlevnad, tillväxt och förgrening. Neurotrofiner inkluderar nervtillväxtfaktor (NGF), hjärnhärledd neurotrofisk faktor (BDNF), neurotrofin-3 (NT-3) och neurotrofin-4/5 (NT-4/5). Andra faktorer är ciliär neurotrofisk faktor (CNTF), gliacellinjehärledd tillväxtfaktor (GDNF) och sur och basisk fibroblasttillväxtfaktor (aFGF, bFGF), som stimulerar en rad neurala svar. (Schmidt & Leach 2003) Fibronektin har också visat sig stödja nervregenerering efter TBI hos råttor (Tate et al. 2002). Andra terapier syftar till att regenerera nerver genom att aktivera regenereringsassocierade gener (RAG), komponenter i det neuronala cytoskelettet och anti-apoptosfaktorer. RAG inkluderar GAP-43 och Cap-23, vidhäftningsmolekyler såsom L1-familjen, NCAM och N-cadherin (Schmidt & Leach 2003). Det finns också möjlighet att blockera hämmande biomolekyler i CNS på grund av gliaärrbildning. Vissa behandlingar för kondroitinas ABC och blockerande NgR, ADP-ribos studeras för närvarande (Schmidt & Leach 2003).

Leveranssätt

Leveransanordningar måste vara biokompatibla och stabila in vivo. Några exempel inkluderar osmotiska pumpar, silikonreservoarer, polymermatriser och mikrosfärer. Genterapimetoder har också utforskats för att tillhandahålla långsiktig produktion av tillväxtfaktorer och kan levereras med virala eller icke-virala vektorer såsom lipoplex. Celler är också effektiva bärare för leverans av ECM-komponenter, neurotrofiska faktorer och celladhesionsmolekyler. Olfactory sheath-celler (OEC) och stamceller, såväl som genetiskt modifierade celler, har använts som transplantationer för att stödja nervregenerering.

Avancerad terapi

Avancerad terapi kombinerar komplexa vägledningskanaler och multipla stimuli som fokuserar på inre strukturer som efterliknar neural arkitektur som innehåller inre matriser av longitudinellt inriktade fibrer eller kanaler. Tillverkningen av dessa strukturer kan använda ett antal tekniker: magnetisk uppriktning av polymerfiber, formsprutning, fasseparation, friformstillverkning i fast form och hartsbläckstråleutskrift.

Förbättring av nervsystemet

Att förbättra det mänskliga neurala systemet, eller mänsklig förbättring genom ingenjörskonst, är en annan möjlig tillämpning av neuroteknik. Djup hjärnstimulering har noterats av patienter som för närvarande använder denna behandling för neurologiska störningar för att redan förbättra minnet. Det antas att hjärnstimuleringsmetoder kan forma känslor och personlighet, samt öka motivationen, minska hämningar etc. enligt personens begäran. De etiska frågorna förknippade med denna mänskliga egenmakt är en ny uppsättning frågor att ställas inför när dessa studier utvecklas.

Se även

  • Neurodatorgränssnitt
  • Neuralänk
  • hjärnläsning
  • Cybernetik
  • cyberware
  • Neuroprotetik
  • Neurosäkerhet
  • Sensorisk substitution
  • Simulerad verklighet
  • Protetiska neuronala minne kiselchips

Referenser

  • Neuroengineering (2007) ISBN 978-0-8493-8174-4
  • Neural Engineering (Bioelectric Engineering) (2005) ISBN 978-0-306-48609-8
  • Operativ neuromodulering: Volym 1: Funktionell neuroproteskirurgi. An Introduction (2007) ISBN 978-3-211-33078-4
  • Deep Brain Stimulation for Parkinsons Disease (2007) ISBN 978-0-8493-7019-9
  • Handbook of Stereotactic and Functional Neurosurgery (2003) ISBN 978-0-8247-0720-0
  • Neural Protheses: Fundamental Studies (1990) ISBN 978-0-13-615444-0
  • IEEE Handbook of Neural Engineering (2007) ISBN 978-0-470-05669-1
  • Foundations on Cellular Neurophysiology (1995) ISBN 978-0-262-10053-3

Anteckningar

Relaterade tidskrifter